Современные проблемы оценки степени ухудшения эксплуатационных качеств, снижения несущей способности бетонных и железобетонных конструкций зданий и сооружений
Железобетон, как композиционный строительный материал. Принципы проектирования железобетонных конструкций. Методы контроля прочности бетона сооружений. Специфика обследования состояния железобетонных конструкций в условиях агрессивного воздействия воды.
| Рубрика | Строительство и архитектура |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 22.01.2012 |
| Размер файла | 2,2 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Для каждого керна произведено измерение скорости УЗВ поперек сечения (по диаметру) в нескольких точках, расположенных по его высоте от зоны огневого воздействия к противоположной стороне. Оценка глубины повреждения произведена по аномальному снижению скорости. Графики, построенные по результатам исследования некоторых образцов, представлены на рис. 9, 10.
Рисунок 9. График зависимости скорости УЗВ (по оси ординат в м/с) по длине керна (по оси абсцисс в мм), отобранного из поврежденного участка конструкции
Рисунок 10. График зависимости скорости УЗВ (по оси ординат в м/с) по длине керна (по оси абсцисс в мм), отобранного из неповрежденного участка конструкции
По результатам измерений установлено, что на большинстве кернов скорость УЗВ у поврежденной поверхности имеет минимальные значения (около 3500-4000 м/с). При удалении исследуемого сечения от зоны повреждения скорость возрастает, и в неповрежденной зоне для большинства образцов составляет 4500 м/с (см. рис.2). В кернах, отобранных из неповрежденных конструкций, скорость УЗВ по сечению менялась несущественно и составляла в среднем также 4500 м/с (см. рис.3).
По результатам исследований установлено, что максимальная глубина повреждения бетона конструкций (колонн, плиты и балок) составляет 50 мм от поверхности
Выводы:
1. Применение ультразвукового метода для оценки зоны повреждения бетона позволяет количественно оценить зоны повреждения конструкций и глубину поврежденного бетона.
2. При использовании ультразвукового метода можно проводить измерения в кратчайшие сроки с большой достоверностью.
3. Трудоемкость метода в сочетании со стоимостью применяемого оборудования гораздо ниже, чем у альтернативных методов, таких как дефектоскопия или петрографическое исследование шлифов.
Огнестойкость железобетонных конструкций: модели и методы расчета
Пожар - одно из самых страшных бедствий, обрушивающихся на человека. Неконтролируемое распространение огня в здании опасно большим материальным и невосполнимым социальным ущербом [1]. Это происходит из-за того, что несущая способность конструкции при воздействии высокой температуры утрачивается в течение буквально нескольких десятков минут. При этом в нормальных условиях эксплуатации долговечность тех же элементов зданий сохраняется на протяжении десятков лет.
Тушение огня и эвакуация людей не дадут ожидаемого результата, если в течение необходимого промежутка времени не будет сохраняться целостность основных несущих конструкций здания - их огнестойкость. Следовательно, оценка огнестойкости строительных конструкций является важнейшим элементом в процессе проектирования. Этот вопрос становится еще более актуальным с увеличением этажности жилых и общественных зданий, расширением масштаба строительства многофункциональных объектов и возросшей в последнее время опасности пожаров, вызванных террористическими актами
В данной статье рассмотрим существующие подходы к решению задачи огнестойкости железобетонных конструкций и предложим направления их развития. В соответствии с ГОСТ [2] различают следующие основные виды предельных состояний строительных конструкций по огнестойкости:
потеря несущей способности (обрушение конструкции или возникновение недопустимых деформаций
потеря целостности в результате образования в конструкции сквозных трещин или отверстий, через которые на необогреваемую поверхность проникают продукты горения или пламя (Е);
потеря теплоизолирующей способности вследствие повышения температуры на необогреваемой поверхности конструкции до предельных для данной конструкции значений (I).
Для стержневых несущих железобетонных конструкций (колонн, балок, ферм и т.д.) характерно наступление предела огнестойкости только по признаку потери несущей способности. У плоскостных несущих железобетонных конструкций (плит перекрытий, внутренних и наружных стен) предел огнестойкости наступает, в основном, по признаку потери несущей способности и только в некоторых случаях - по теплоизолирующей способности.
Для оценки огнестойкости строительных конструкций используют экспериментальные и расчетные методы. Экспериментальные методы позволяют дать прямую оценку огнестойкости строительной конструкции, но при этом требуют весьма значительных материальных, финансовых и трудовых затрат, занимают много времени. Кроме того, в рамках физического эксперимента затруднительно или невозможно в необходимой степени варьировать различные параметры конструкций, нагрузок и других важных факторов. Более предпочтительными с этой точки зрения являются расчетные методики оценки огнестойкости строительных конструкций. В общем случае расчетные методы являются двухкомпонентными:
теплотехническая часть, в рамках которой устанавливается распределение температуры по сечениям конструкции в процессе огневого воздействия;
статическая часть (определяется несущая способность конструкции с учетом изменения свойств бетона и арматуры при нагреве).
Решение задачи нестационарной теплопроводности сводится к определению температуры бетона в любой точке исследуемой области элемента в заданный момент времени. Функция зависимости температуры от времени описывается дифференциальным уравнением теплопроводности Фурье при нелинейных граничных условиях и сложном процессе тепло - и массопереноса. Для теплопередачи в железобетонных конструкциях характерны внутренняя нелинейность (температура в рассматриваемой точке элемента зависит от характеристик его материала - теплопроводности и теплоемкости, а сами эти характеристики зависят от температуры (лt, ct)) и внешняя нелинейность (обусловлена зависимостью коэффициента теплоотдачи бt от температуры поверхности tw). Для двухмерного температурного поля (в плоскости XоY) уравнение Фурье имеет вид:
где t - температура,°С; ф - время, сек.; с - плотность бетона, кг·м-3; qr - теплопотери на испарение воды в порах бетона, Дж·м-3·с-1; лt - коэффициент теплопроводности бетона в зависимости от его температуры, Дж·м-1·°С-1 ·с-1 (Вт ·м-1 · 0С-1); ct - удельная теплоемкость бетона в зависимости от его температуры, Дж·кг-1·°С-1.
Данная постановка задачи чрезмерно сложна для повседневной инженерной практики, поэтому в настоящее время чаще используют рекомендации норм [3; 4]. Так, для основных типов сечений конструкций регламентированы изотермы при одно-, двух-, трех - и четырехстороннем огневом воздействии стандартного пожара [2] различной длительности (30 мин., 60 мин., 90 мин., 120 мин., 180 мин. и 240 мин.). Однако проблема состоит в том, что данная номенклатура решений не является исчерпывающей. Целый ряд практических задач не рассматривается, что ограничивает область применения имеющихся нормативных документов.
К наиболее распространенным в Российской Федерации методам решения статической части задачи относят: метод критических температур, разработанный в 1966 году (см., например, [5]), метод приведенного сечения (1975), метод критических деформаций (1987) (см., например, [6]). Данные методы внесли весомый вклад в развитие теории огнестойкости строительных конструкций. На их основе разрабатывались рекомендации по определению огнестойкости железобетонных конструкций, применяемые и по сегодняшний день. Они в достаточной степени отвечали требованиям своего времени, но наука XXI века обладает значительно более широким кругом возможностей, чем в 60е-70егг прошлого столетия. Широкое распространение компьютерных технологий позволяет проектировщикам решать сложные инженерные задачи, избегая многих допущений. Поэтому сегодня актуальна проблема совершенствования расчетных методов, освобождения их от таких характерных недостатков как:
априорное задание схемы предельного состояния конструкции ввиду невозможности отслеживания истории ее температурно-силового деформирования
отождествление предельного состояния отдельных сечений с отказом конструкции в целом;
чрезмерная насыщенность расчетных методик эмпирическими коэффициентами и функциями, а следовательно, ограниченность области их применения, ориентация на решение частных инженерных задач;
неполный учет комплекса нелинейных эффектов деформирования железобетона под нагрузкой при быстроизменяющихся высоких температурах (до 10000С…11000С);
игнорирование локальных нарушений сцепления арматуры с бетоном
Главным образом, перечисленные недостатки обусловлены тем, что вполне апробированные решения для задач силового сопротивления железобетона при нормальной температуре достаточно формально "перенесены" на решение задач огнестойкости железобетонных конструкций без должного учета особенностей их деформирования при воздействии высоких температур.
В рамках проблемы оценки огнестойкости железобетонных конструкций можно выделить следующие актуальные направления их развития:
построение методов оперативного и доступного решения теплотехнической части задачи огнестойкости железобетонных конструкций для более широкого диапазона сечений строительных конструкций (в том числе для элементов в целом);
совершенствование моделей деформирования и методов расчетного анализа силового сопротивления железобетона при высокотемпературных воздействиях;
полновесный расчетный мониторинг свойств бетона и арматуры при совместных силовом и огневом воздействиях;
прямой учет изменения параметров сцепления бетона и арматуры при быстром неоднородном прогреве и последующем остывании железобетонных конструкций, находящихся под действием эксплуатационных нагрузок
Для решения двухмерной задачи нестационарной теплопроводности авторами разработана программа, реализующая метод конечных элементов и позволяющая вычислять распределение температур по сечению железобетонного элемента для различных моментов времени при заданном температурном режиме на обогреваемой поверхности. При этом номенклатура рассматриваемых сечений не ограничивается. В программе "TERM-FIRE" учитываются все необходимые теплофизические характеристики материала сечения, конвективная теплопередача от высокотемпературной среды к поверхности. Возможность получения нестационарных полей температур не только в поперечном, но и в продольном сечении железобетонного элемента (рис.11), позволяет применять в дальнейшем перспективные блочные модели деформирования железобетона с макротрещинами и швами.
Рисунок 11. Поле температур в продольном сечении железобетонного элемента с нормальными трещинами (элемент с одиночным армированием, защитный слой арматуры условно не показан). Время огневого воздействия по стандартному тепловому режиму пожара - 30 мин.,°С
Тестовые расчеты показывают удовлетворительную сходимость с данными существующих нормативных документов [3, 4]. Разработанный алгоритм решения теплотехнической части задачи огнестойкости позволяет значительно расширить круг и сделать инженерно доступным решение практических задач огнестойкости железобетонных конструкций.
Характерная для железобетона работа под нагрузкой с трещинами в растянутых зонах бетона, наличие технологических и деформационных швов дает возможность предложить в качестве расчетной модели силового сопротивления железобетона при высокотемпературном воздействии так называемую блочную модель силового сопротивления железобетона (рис.2).
Идея расчёта железобетонных элементов с трещинами в виде системы упругих блоков, взаимодействующих между собой по сжатой зоне и растянутой арматуре, получила развитие в работах П.И. Васильева, А.А. Гвоздева, Е.Н. Пересыпкина и др.
Задача определения напряжений и деформаций рассматривается как контактная для смежных блоков с удовлетворением граничных условий по границе контакта, а также по линии взаимодействия растянутой арматуры и окружающего ее бетона. Трещины рассматриваются здесь как локальные нарушения сплошности материала, что даёт возможность в необходимой мере детализировать расчёт и учитывать, например, ветвление нормальных трещин при ухудшении условий сцепления арматуры с бетоном.
Блочная модель деформирования позволяет взаимосвязано определять на различных стадиях работы стержневых, пластинчатых и оболочечных элементов следующие параметры: глубину и ширину раскрытия строительных и деформационных швов нормальной ориентации; глубину проникновения, ширину раскрытия и шаг нормальных трещин, в том числе при пересекающихся схемах трещинообразования в плитах (оболочках); локальную кривизну элемента в сечении с трещиной; апряжения непосредственно в сечении с трещиной: в сжатом и надтреснутом бетоне, сжатой и растянутой арматуре, в том числе при многорядном ее размещении; наибольшие касательные напряжения сцепления на контакте "бетон - арматура"; ормальные напряжения откола сжатой зоны бетона в вершине трещины (шва).
Для более полного учета реальных условий работы конструкций, подвергающихся при пожаре быстрому нагреву в нагруженном состоянии, предлагается использовать в расчете огнестойкости нелинейные диаграммы деформирования бетона и арматуры, например, предложенные в работах В.С. Федорова (рис.12). Здесь уравнение связи напряжений и деформаций бетона с учетом температуры нагрева предлагается представлять в форме закона Гука, а зависимость коэффициента упругости от уровня деформаций получать на основе решения кинетического уравнения накопления повреждений в структуре бетон. Данное выражение отвечает требованиям непрерывности и дифференцируемости, благодаря чему не создает трудностей при трансформации диаграмм с изменением температуры в пределах сечения железобетонного элемента.
Рисунок 12. Диаграмма термомеханического состояния тяжелого бетона В20 на гранитном заполнителе
Описание диаграммы термомеханического состояния арматуры также основывается на кинетическом уравнении нелинейного накопления повреждений. Это позволяет в достаточно компактном виде выполнять нормирование основных температурных параметров диаграмм деформирования арматуры при достаточно полном учете нелинейности деформирования и реальных условий работы арматуры в конструкции в условиях кратковременного нагрева под нагрузкой (рис.13). диаграммы термомеханического состояния бетона и арматуры, полученные на основе аналитических зависимостей, достаточно хорошо согласуются с результатами испытаний опытных образцов при кратковременном нестационарном нагреве под нагрузкой.
Рисунок 13. Диаграмма термомеханического состояния арматуры класса А400 (А III)
В заключение необходимо отметить, что выполненные обзор и анализ библиографических источников выявили необходимость совершенствования метода расчетной оценки огнестойкости железобетонных конструкций для более точного и детального описания напряженно-деформированного состояния конструкции на всех стадиях кратковременного температурного воздействия, в т. ч. и на стадии затухания пожара. Такой метод может быть разработан на основе блочной модели деформирования, в которой изменения физико-механических характеристик бетона и арматуры при высокотемпературном воздействии будут учитываться путем трансформации их диаграмм деформирования [8, 9]. Учет изменения параметров сцепления бетона и арматуры при быстром неоднородном прогреве предлагается проводить с помощью трансформации закона локального сцепления при пожаре. При этом вычисление распределения температуры по сечению железобетонного элемента для различных моментов времени от начала огневого воздействия на его обогреваемую поверхность целесообразно выполнять при помощи программы "TERM-FIRE".
Результатом такой комплексной методики станет повышение точности решения задач огнестойкости железобетонных конструкций, увеличение номенклатуры предельных состояний и расширение диапазона решаемых инженерных задач огнестойкости железобетонных конструкций.
Список использованных источников
1. ГОСТ 28570-90. Бетоны. Методы определения прочности по образцам, отобранным из конструкций.
2. ГОСТ 22690-88. Бетоны. Определение прочности механическими методами неразрушающего контроля.
Технические требования.
3. ГОСТ 17624-87. Бетоны. Ультразвуковой метод определения прочности.
4. ГОСТ Р 53231-2008. Бетоны. Правила контроля и оценки прочности.
5. СТО 36554501-009-2007. Бетоны. Ультразвуковой метод определения прочности.
6. СП 13-102-2003. Правила обследования несущих строительных конструкций зданий и сооружений.
7. ГОСТ 22904-93. Конструкции железобетонные. Магнитный метод определения толщины защитного слоя бетона
и расположения арматуры.
8. Штенгель В.Г. О корректном применении НК в обследованиях железобетонных конструкций длительно
эксплуатирующихся сооружений // В мире НК. 2009. №3. С.56-62.
9. ТСН 50-302-2004. Проектирование фундаментов зданий и сооружений в Санкт-Петербурге.
10. ГОСТ Р 53778-2010. Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния.
11. Штенгель В.Г. Общие проблемы технического обследования неметаллических строительных конструкций
эксплуатируемых зданий и сооружений // Инженерно-строительный журнал. 2010. №7 (17). С.4-9
12. СП 13-102-2003. Правила обследования несущих строительных конструкций зданий и сооружений.
13. Гроздов В.Т. Признаки аварийного состояния несущих конструкций зданий и сооружений / ООФ "Центр
качества строительства". - СПб., 2007. - 42 с.
14. Воробъёв В.А. Строительные материалы. Изд.5-е, переработ. - М.: "Высшая школа", 1973. - 475 с
15. Гроздов В.Т. Определение остаточной несущей способности строительных конструкций, подвергшихся огневому воздействию при пожарах, и рекомендации по их использованию. СПб.: ООФ "ЦКС"-2008. - 78с.
16. СП 13-102-2003. Правила обследования несущих строительных конструкций зданий и сооружений. М.: ГОССТРОЙ России. - 2004. - 26 с
17. Милованов А.Ф. Стойкость железобетонных конструкций при пожаре. М.: Стройиздат. - 1998. - 300с.
18. ГОСТ 30247-94. Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. - Взамен СТ СЭВ 1000-78; Введ.01.01.96.
19. СТО 36554501-006-2006. Правила по обеспечению огнестойкости и огнесохранности железобетонных конструкций / НИИЖБ им.А. А. Гвоздева. - М., 2006.
20. ENV 1992-1. Eurocode 2: Design of concrete structures. - Part 1-2: General rules - Structural fire design. - Brussels: CEN 1992.
21. Яковлев А.И. Основы расчета огнестойкости железобетонных конструкций: Дис. докт. техн. Наук / МИСИ. - М., 1966. - 515 с.
22. Яковлев А.И. Расчет пределов огнестойкости сжатых железобетонных конструкций по критическим деформациям // Поведение строительных конструкций в условиях пожара. - М.: ВНИИПО, 1987. - С.5-16.
23. Бондаренко В.М., Колчунов В.И. Расчетные модели силового сопротивления железобетона. - М.: Изд-во АСВ, 2004. - 472 с.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Особенности работы и разрушения каменных и армокаменных конструкций. Определение их прочности и технического состояния по внешним признакам. Влияние агрессивных сред на каменную кладку. Мероприятия по обеспечению долговечности промышленных зданий.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 27.12.2013Виды разрушения материалов и конструкций. Способы защиты бетонных и железобетонных конструкций от разрушения. Основные причины, механизмы и последствия коррозии бетонных и железобетонных сооружений. Факторы, способствующие коррозии бетона и железобетона.
реферат [39,1 K], добавлен 19.01.2011Контролируемые параметры для железобетонных конструкций. Прочностные характеристики бетона и их задание. Количество, диаметр, прочность арматуры. Контролируемые параметры дефектов и повреждений железобетонных конструкций. Основные методы испытания бетона.
презентация [1,4 M], добавлен 26.08.2013Общие сведения о железобетоне - строительном материале, состоящем из стальной арматуры и бетона. Технологии изготовления железобетонных изделий, их виды: с обычным армированием и предварительно напряженные. Армирование железобетонных конструкций.
реферат [26,1 K], добавлен 28.11.2013Использование золы в бетонах в качестве заполнителей и добавок. Общие сведения о бетонных и железобетонных конструкциях. Классификация бетонных и железобетонных конструкций. Расчет изгибаемых, сжатых и растянутых элементов железобетонных конструкций.
контрольная работа [1,3 M], добавлен 28.03.2018Характеристика основных этапов работ по обследованию конструкций, зданий и сооружений. Составление инженерно-технического отчета. Используемые приборы при обследовании. Обследование железобетонных плит и ригелей. Формирование цены в ООО "Реконструкция".
отчет по практике [33,0 K], добавлен 19.10.2011Основные сведения теории коррозии металлов и исследование общих положений по защите от коррозии строительных конструкций. Анализ степени агрессивного воздействия среды. Способы защиты от поверхностной и закладной коррозии в железобетонных конструкциях.
курсовая работа [30,4 K], добавлен 01.02.2011Изучение комплексно-механизированного процесса сборки зданий и сооружений из элементов и конструктивных узлов заводского изготовления. Разработка технологической карты на монтаж сборных железобетонных конструкций одноэтажного промышленного здания.
курсовая работа [2,8 M], добавлен 28.01.2014Расчет фактических пределов огнестойкости железобетонных балок, многопустотных железобетонных плит и других строительных конструкций. Теплофизические характеристики бетона. Определение нормативной нагрузки и характеристика расчетного сопротивления.
курсовая работа [738,3 K], добавлен 12.02.2014Оценка технического состояния как установление степени повреждения и категории технического состояния строительных конструкций или зданий и сооружений, этапы и принципы ее проведения. Цели обследования строительных конструкций, анализ результатов.
контрольная работа [26,6 K], добавлен 28.06.2010
